基于GMS 隧道滲流場特征及涌水量數(shù)值模擬

賀 鵬,賀 顏,張 曉

（陜西省水務(wù)集團(tuán)水生態(tài)綜合開發(fā)有限公司，陜西 西安 710018）

1 引言

我國的碳酸鹽巖分布廣泛，尤其是在西藏、四川、云南、貴州、廣西、新疆等西部地區(qū)巖溶廣泛發(fā)育[1］。隨著我國“十四五”規(guī)劃的出臺(tái)及交通強(qiáng)國戰(zhàn)略的提出，隧道工程等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)將在地形陡峭、地質(zhì)條件極端復(fù)雜、巖溶廣泛發(fā)育的西南山區(qū)展開，長大深埋隧道逐漸增多[2］。巖溶地區(qū)隧道施工過程中遇到的涌突水災(zāi)害造成隧洞失穩(wěn)、地面沉降，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度、人員與設(shè)備的安全，制約工程建設(shè)。近幾十年來，隧道涌水運(yùn)動(dòng)規(guī)律及數(shù)值模擬成為地下水研究的熱門內(nèi)容，受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[3，4］。張付軍等[5］以武九高速公路隧道為例，采用FLAC3D 有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件研究了隧道涌水量對圍巖影響，研究結(jié)果表明，注漿圈厚度在3 m～7 m 可保證隧道圍巖穩(wěn)定性；張珂峰[6］采用數(shù)值模擬方法，建立滲流-應(yīng)力耦合模型對圍巖開挖過程進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明，當(dāng)防水巖板小于一定厚度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致突然用水性現(xiàn)象；周文俊[7］采用有限元數(shù)值模擬軟件，對不同區(qū)域隧道涌水量進(jìn)行模擬，并與實(shí)際情況進(jìn)行對比，研究結(jié)果表明該方法可較好地用于隧道涌水量預(yù)測；陳鵬等[8］針對復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道涌水量計(jì)算，采用數(shù)值模擬方法對滲流場進(jìn)行模擬，并根據(jù)模擬結(jié)果對某隧道涌水量進(jìn)行預(yù)測；李偉[9］基于PFC 離散元模擬軟件，對隧道開挖過程中的巖土體位移，滲流場進(jìn)行分析，結(jié)果表明，隧道巖土體位移對涌水量具有較大影響；王士偉等[10］采用理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對隧道開挖過程中的塑性區(qū)破壞范圍進(jìn)行分析，研究結(jié)果表明，斷層的存在導(dǎo)致突水路徑減少，增加了隧道涌水量，應(yīng)針對性進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)。

以上均通過計(jì)算模型來預(yù)測隧道涌水量，較少考慮滲流的過程，本文以巴中東泉隧道為例，提出適宜于研究區(qū)的巖溶管道-多孔介質(zhì)的概念模型，即利用河流功能模塊（Drain）刻畫地下管道及暗河，通過GMS 軟件進(jìn)行研究區(qū)地下水?dāng)?shù)值模擬研究，分析研究區(qū)地下水動(dòng)力特征。

2 研究區(qū)概況

隧道位于四川巴中境內(nèi)，全長 3465 m，為雙線單向上坡隧道。隧道最大埋深127 m。研究區(qū)地形高程 190 m～600 m，山麓高程 140 m～300 m，相對切割高差 210 m～280 m（圖1）。

圖1 研究區(qū)地貌圖

研究區(qū)為銅鑼背斜低山的南段部分，區(qū)內(nèi)地表水系主要有御臨河和溫塘河，兩條河流都屬長江水系。御臨河為長江一級支流，在區(qū)內(nèi)標(biāo)高 190 m 左右，河流寬度約20 m～30 m，從北側(cè)入境，匯集東側(cè)背斜山的沖溝水，向南流入長江；溫塘河為長江二級支流，區(qū)內(nèi)標(biāo)高 200 m 左右，河流寬度約 15 m～20 m，從西北側(cè)橫切銅鑼?shí){背斜，匯集山脊兩側(cè)地表地下水，由西向東在統(tǒng)景鎮(zhèn)匯入御臨河，為銅鑼?shí){北側(cè)侵蝕基準(zhǔn)面，統(tǒng)景溫塘河枯洪期水位差僅 1.50 m。

3 GMS 地下水深滲流數(shù)值模擬

3.1 水文地質(zhì)概念模型

水文地質(zhì)概念模型是進(jìn)行數(shù)值建模的基礎(chǔ)，通過調(diào)查和試驗(yàn)把研究區(qū)域復(fù)雜的含水系統(tǒng)抽象的、保留含水系統(tǒng)所對應(yīng)的地質(zhì)實(shí)體的主要特點(diǎn)的簡化系統(tǒng)，即對含水系統(tǒng)所對應(yīng)的地質(zhì)實(shí)體的概化，并用數(shù)學(xué)語言及符號表達(dá)。主要包括研究區(qū)域的邊界條件的概化（如水頭邊界、流量邊界、隔水邊界、流量、水位、地下水流動(dòng)特征等）和含水系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的概化(如含水巖組類型結(jié)構(gòu)、地下水運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、水文地質(zhì)參數(shù)等）。

3.2 模型范圍與邊界條件參數(shù)

東泉隧道穿過銅鑼?shí){背斜大部分，研究區(qū)域東側(cè)以御臨河流域?yàn)楹恿鬟吔?，南?cè)以溫塘河流域?yàn)楹恿鬟吔?，西?cè)以背斜砂巖偶夾頁巖的須家河組（T5 xj）的山脊線為分水嶺為邊界，視為隔水邊界或零流量邊界，隧道北側(cè)的影響范圍約為 2 km，研究區(qū)北側(cè)為距離隧道 3.7 km 的定水頭邊界，大致范圍為林家埡口至龍安鄉(xiāng)。

研究區(qū)內(nèi)含水層主要為分布于背斜核部及兩側(cè)的白云巖與灰?guī)r。背斜兩翼主要分布有三砂巖、砂質(zhì)泥巖以及頁巖，作為相對隔水層，見圖2。

圖2 滲透系數(shù)分區(qū)圖

模型的頂板高程為 DEM 實(shí)際地表高程數(shù)據(jù)，根據(jù)巖溶發(fā)育的垂直分帶，垂向上將含水層細(xì)分為 3 層，垂向剖分第 1 層網(wǎng)格厚度占整個(gè)網(wǎng)格厚的 60%、第 2 層～第3 層分別占 20%。然后根據(jù)巖性及巖溶發(fā)育情況，將研究區(qū)每一層劃分為 4 個(gè)滲透系數(shù)分區(qū)，根據(jù)抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)值確定每個(gè)分區(qū)的水平和垂直滲透系數(shù)（Kh、 KV），研究區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)見表 1。

表1 研究區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)表

3.3 隧道滲流場特征數(shù)值模擬結(jié)果

（1）開挖前滲流場特征

如圖3 所示，含水層模擬水頭分布及趨勢基本與地表高程起伏呈現(xiàn)出一致的關(guān)系。北部側(cè)向補(bǔ)給的水頭較高約為 320 m，水力坡度約為 2.6%，這與北部印盆村的地下水位相符合。在補(bǔ)給區(qū)和徑流區(qū)，巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，導(dǎo)水系數(shù)大，水力梯度約為1.5%；在溫塘河排泄區(qū)，由于河流的切割，接近溫塘河的巖溶含水系統(tǒng)變薄，等水頭線較密，水力梯度較大約為 6.6%。水廠暗河和龍洞灣暗河的流量分別為 2064 m2／d、16155 m2／d。研究區(qū)內(nèi)豐水期與枯水期地下水位變化不大，變化幅度不超過 10 m。

圖3 隧道未開挖滲流場云圖

（2）隧道開挖后滲流場特征

從圖 4 可以看出，隧道開挖對須家河組地下水位的分布特征影響較大，隧道開挖對淺層地下水滲流場影響不大，對附近的因深層循環(huán)徑流形成的統(tǒng)景溫泉沒有影響，水力梯度由上到下逐漸減小，補(bǔ)給區(qū)和徑流區(qū)平均水力梯度為2.2%，排泄區(qū)平均水力梯度為7.5%。

圖4 隧道開挖后滲流場云圖

3.4 隧道巖溶涌水量預(yù)測

根據(jù)前述分析，本隧洞身多在常年地下水位以上，難以采用理論方法計(jì)算隧道正常涌水量。本次采用大氣降水入滲法計(jì)算隧道雨時(shí)最大涌水量。

大氣降水入滲系數(shù)法計(jì)算公式：

式中：W 為隧道區(qū)多年平均降水量，mm；F 為隧道通過各含水巖體地段的滲入補(bǔ)給面積，km2；a 為入滲系數(shù)；Q 為涌水量，m3／d。

根據(jù)研究區(qū)氣象資料，年平均降水量取為1200 mm。對于降雨入滲系數(shù)，根據(jù)含水巖組巖性、入滲能力按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)值，泥巖夾砂巖取 0.1，砂巖類取 0.20，白云巖類取 0.30，灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r類取 0.40。

計(jì)算得到的隧道涌水量在非可溶巖地段為 510 m3／d；可溶巖地段涌水量為 613 m3／d。數(shù)值模擬預(yù)測的可溶巖段涌水量為 628 m3／d，非可溶巖涌水量為 524 m3／d，總共涌水量為 1152 m3／d。可以看出，非可溶巖段涌水量兩者方法差不大，而可溶巖段涌水量兩者差距較大，其原因是軟件無法考慮由巖溶洼地及槽谷等負(fù)地形匯集的降雨等地表水經(jīng)落水洞、漏斗等涌入隧道形成的涌水量。

4 結(jié)論

本文以四川巴中某公路隧道為例，在地層巖性和水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，分析地下水補(bǔ)徑排條件和研究區(qū)的邊界條件，利用 GMS 建立研究區(qū)的水文地質(zhì)模型，研究隧道巖溶地下水滲流特征，主要結(jié)論如下：

（1）研究區(qū)巖溶地下水具有統(tǒng)一的地下水面，整體水流坡度約為5.1%，補(bǔ)給區(qū)和徑流區(qū)水力坡度平緩，平均水力梯度為2.2%，排泄區(qū)平均水力梯度為7.5%。

（2）計(jì)算得到的可溶巖段涌水量為613 m3／d，非可溶巖段涌水量為510 m3／d，總共涌水量為1123 m3／d：數(shù)值模擬預(yù)測的可溶巖段涌水量為 628 m3／d，非可溶巖涌水量段為 524 m3／d，總共涌水量為 1152 m3／d。數(shù)值模擬結(jié)果與計(jì)算結(jié)果吻合較好，可用于實(shí)際工程隧道涌水量預(yù)測。